仪表放大器的应用技巧(摘)

仪表放大器电路设计技巧

Charles Kitchin，Lew Counts 美国模拟器件公司

长期以来，为仪表放大器供电的传统方法是采用双电源或双极性电源，这具有允许正负输入摆幅和输出摆幅的明显优势。随著元器件技术的发展，单电源工作已经成为现代仪表放大器一个越来越有用的特性。现在许多数据采集系统都是采用低电压单电源供电。对于单电源系统，有两个至关重要的特性。首先，仪表放大器的输入范围应当在正电源和负电源之间(或接地电压)扩展。其次，放大器的输出摆幅也应当接近电源电压的两端(R-R)，提供一个与电源电压的任一端或地电位相差100mV(或小于100mV)以内的输出摆幅(V-+0.1V～V+-0.1V)。比较起来，一个标准的双电源仪表放大器的输出摆幅只能与电源电压的任一端或地电位相差1V或2V以内。当采用5V

单电源工作时，这些仪表放大器仅具有1V或2V输出电压摆幅，而真正的R-R输出仪表放大器能提供几乎与电源电压一样高的峰峰输出摆幅。另一个重要点是单电源或R-R仪表放大器采用双电源仍能工作(甚至更好)并且通常其工作电源电压比传统的双电源器件低。

电源解耦是一个经常被工程师忽视的重要细节。通常，旁路电容器(典型值为0.1μF)连接在每个IC的电源引脚和地之间。尽管通常情况适合，但是这在实际应用中可能无效或甚至产生比根本没有旁路电容器更坏的瞬态电压。因此考虑电路中的电流在何处产生，从何处返回和通过什麽路径返回是很重要的问题。一旦确定，应当在地周围和其他信号路径周围旁路这些电流。

通常，像运算放大器一样，大多数单片仪表放大器都有其以电源的一端或两端为参考端的积分器并且应当相对输出参考端解耦。这意味著对于每颗晶片在每个电源引脚与仪表放大器的参考端在PCB上的连接点之间应连接一个旁路电容器，如图1所示。

图1、电源旁路的推荐方法

1.输入接地返回的重要性

当使用仪表放大器电路时出现的一个最常见的应用问题是缺乏为仪表放大器的输入偏置电流提供一个DC返回路径。这通常发生在当仪表放大器的输入是容性耦合时。图2示出这样一个电路。

这里，输入偏置电流快速对电容器C1和C2充电直到仪表放大器的输出“极端”，达到电源电压或地电位。

图2、一个没有输入接地返回的AC耦合仪表放大器电路

解决上述问题的方法是在每个输入端和地之间添加一个高阻值电阻器(R1，R2)，如图3所示。输入偏置电流现在可以自由流入地并且不会像以前那样产生大输入失调。在过去的电子管电路中，产生类似的效应，需要在栅极(输入)和地之间使用一个栅极漏电阻以放空积累的电荷(栅极上的电子)。

图3、每个输入端和地之间的高阻值电阻器提供一个有效的DC返回路程

2.AC输入耦合

再看图3，R1和R2的实际值通常为1MΩ(或小于MΩ)。电阻值的选择是在失调误差和电容值之间的一个折衷。输入电阻越大，由于输入失调电流引起的输入失调电压越大。失调电压漂移也会增加。

当R1和R2选用较低的电阻值时，C1和C2必须使用越高的输入电容值以提供相同的-3dB转折频率

F-3dB=1/(2πR1C1)，这里R1=R2并且C1=C2

除非AC耦合电容器的输入端出现大的DC电压，否则应当使用非极性电容器。因此，为了保持器件的尺寸尽可能小，C1和C2应为0.1μF或更小。

通常，电容值越小越好，因为这样成本会降低并且尺寸会减小。输入耦合电容器的额定工作电压需要足够高以避免因任何可能发生的高输入瞬态电压而造成的击穿。

3.阻容元件匹配

由于(IB1R1)-(IB2R2)=ΔVOS，R1和R2之间的任何不匹配都将引起输入失调不平衡(IB1-IB2)，产生输入失调电压误差。一条有用的规则是保持IBR<10mV。

表1、为AC耦合仪表放大器输入推荐的阻容元件值

ADI公司仪表放大器的输入偏置电流根据其输入结构不同而变化很大。但是，大多数的最大输入偏置电流都在1.5nA和10nA之间。表1给出采用1%金属薄膜电阻器用于AC耦合的典型的阻容值以及每个输入的偏置电流值。

图4示出一个为变压器耦合输入推荐的DC返回路径。

图4、为变压器耦合输入推荐的DC返回路径

4.电缆终端

当在几百千赫(kHz)以上频率条件下使用仪表放大器时，应当在其输入端和输出端连接阻抗合适的50Ω或75Ω 同轴电缆。正常地，电缆终端应当在同轴电缆中心导线与其末端的遮罩线之间简单地连接一苹50Ω或75Ω的电阻器。应当注意的是，为了驱动这些负载到有用的电平，可能需要一个缓冲放大器。

仪表放大器防ESD和直流过载的输入保护电路

1.防ESD和DC过载的输入保护

作为用于数据采集系统的介面放大器，仪表放大器经常要遇到输入过载，即电压幅度超过所选择增益范围的满度值或甚至超过电源电压。这些过载一般分为两类∶稳态过载和瞬态过载(ESD等)，後者发生在仅几分之一秒的时间内。对于三运放仪表放大器设计，当以低增益(10或10以下)工作，增益电阻器作为限流元件与它们的电阻输入串联。当在高增益条件下，由于RG的阻值较低可能不能完全保护输入端免受过载电流的侵害。

标准的做法是在每个输入端都接限流电阻器，但加上这种保护也增加了电路的噪声。因此

在提供的保护作用和引起的电阻器噪声(约翰逊噪声)增加之间需要一种合理的权衡。使用具有高抗噪声能力的仪表放大器能够允许较大的串联保护而不会严重增加其总电路噪声。当然，增加的噪声越少越好，但一条有用的规则是需要这种额外保护的电路能够很容易地允许电阻值产生30%总电路噪声。例如，一个使用具有20nV/Hz1/2额定噪声的仪表放大器的电路能够允许6nV/Hz1/2的附加约翰逊噪声。

使用下面的试选法将这个数据转换为实际电阻值。1kΩ电阻器的约翰逊噪声大约是4nV/Hz1/2。这个值随电阻值的平方根变化。因此，20kΩ电阻器的噪声是1kΩ电阻器的201/2倍，为17.88nV/Hz1/2(4.4721×4nV/Hz1/2)。由于两个输入端都需要保护，因而需要两苹电阻器，并且它们的组合噪声按电阻器个数的平方根增加(平方和的平方根)。在这种情况下，两个20kΩ电阻器增加的总噪声为25.3nV/Hz1/2 (17.88×1.414)。

图5示出AD8221仪表放大器输入结构的详细电路。如图5所示，它具有与每个输入二极管串联的内部400Ω电阻器。

图5、AD8221仪表放大器输入电路

AD8221适合处理6mA稳态(或DC)最大输入电流。其内部电阻器和二极管将保护器件避免输入电压高于正电源0.7V，或低于负电源(6mA× 0.4kΩ)2.4V。因此，对于±15V电源，最大安全输入电压幅度是+15.7V，-17.4V。如果要扩大这个安全输入电压幅度，可以增加外部串联电阻器，但要以增大电路噪声为代价。

AD8221仪表放大器是一种噪声极低的器件，最大值(eNI)为8nV/Hz1/2。一苹1kΩ电阻器会增加大约107nV/Hz1/2的噪声。这会将最大DC电平上升到高于每个电源电压大约22.5V，对于±15V电源上升到±37.5V。